非稳态传热下双层凉感纺织品的瞬态与持续热感觉

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Transient and sustained thermal sensation of cool double-layer textiles under unsteady heat transfer

　　

•采用了一种新方法研究织物与皮肤之间的热传递。
•提出了两组参数来预测人体皮肤的冷暖感觉。
•通过主观评价确认了这些参数的有效性。
•阐明了预处理环境对预测参数的影响。

引言
纺织材料在服装、家用纺织品和功能性防护用品中起着关键作用，其热管理性能强烈影响着人体热舒适度和穿着体验 [1], [2]。随着极端天气事件频率的增加和温室效应的加剧，节能和减少对空调的依赖已成为紧迫的关切。因此，纺织热调节引起了越来越多的关注 [3], [4]。传统的热舒适研究主要涉及热绝缘、阻风和透气性。然而，由于纺织物 - 皮肤接触引起的冷暖感觉能够在炎热或寒冷条件下提供快速的热调节，因此受到了越来越多的关注。

热感觉是服装与人体相互作用的结果，最终决定舒适或不舒适的感知。在实际使用中，除了维持热平衡或恒温的稳态热传递外，由纺织物 - 皮肤接触引起的初始热刺激，即非稳态热舒适，也是评价纺织品舒适性的关键参数 [5], [6]。非稳态热传递过程涉及两种类型的热响应，即瞬态和持续热感。瞬态感觉是指纺织物与皮肤接触后立即经历的强烈热刺激，产生明显的温暖或凉爽感知 [7]。然而在实际情况下，人体与纺织品之间的热交换在初始接触后仍在持续。持续热感反映了接触后热流率的长期变化，也对人体热感觉产生重要影响。这种持续反应在日常生活中和体力活动中尤为相关，因为它可以延迟炎热环境中皮肤温度的升高或减缓寒冷环境中皮肤温度的下降，从而减少热不适。

在表征瞬态热感方面已取得相当进展，通常由织物 - 皮肤接触瞬间产生的峰值热流率（Qmax）来量化。由佳丽宝纺织公司开发的 Thermo Labo II (KES-F7) 系统测量接触 0.2 秒后的 Qmax，并为评估相当厚度的薄纺织品提供了标准方法 [8], [9]。Qmax 受多种因素影响，包括热导率、表面形态、含水量和辐射特性 [10], [11], [12]。Zhao 等人 [13] 证明，用 NanoZnO 涂层棉织物使热导率提高了 50%，导致 Qmax 增加了 28.6%。Iqbal 等人 [14] 通过静电纺丝制备了辐射冷却纳米织物，发现降低表面粗糙度增强了接触冷却效果，其 Qmax 比棉高 52.3%。Halder 等人 [15] 调查发现，再生纤维素织物的热通量高于聚酯织物，这归因于纤维素的亲水性和水的高热导率 [16]。Kim 等人 [17] 发现，具有高远红外发射率的 Al?O?/石墨嵌织物会积聚热量，从而抑制瞬态热流，导致比普通 PET 织物更弱的冷却感觉。除了 Qmax 外，热扩散率（b = λρC）也广泛用于评估瞬态凉感，因为它取决于纺织品的热导率、比热和密度。Hes 等人 [18], [19] 开发了 Alambeta 设备来测量计算扩散率所需的参数。使用该系统，?zdil 等人 [20] 进一步调查了纱线性能对热感觉的影响，并报告说增加纱线捻度和支数会降低热阻并增强透湿性。

尽管这些方法提供了评估瞬态热感的有效手段，但它们在应用于厚或多层纺织品时表现出明显的局限性。随着智能纺织品和功能服装的使用越来越多，多层织物组件在热调节应用中变得越来越常见 [21], [22]。不同的堆叠顺序可以产生不同的初始热感觉。然而，Alambeta 测量的 b 仅取决于热导率、比热和密度，导致不同堆叠顺序的值相同。同样，Thermo Labo II (KES-F7) 主要测量外层的 Qmax，使内层的影响微乎其微，并可能与实际经验不一致。此外，Qmax 与织物厚度无关，尽管厚织物中的延长热传递可能会强烈影响非稳态热舒适 [23]。因此，这些仪器不太适合评估多层或厚纺织品。尽管已投入相当多的精力来测量和优化瞬态冷却，但量化持续感觉的方法以及影响因素和机制仍探索不足。

一些研究人员已采用主观评估方法来调查人体热感知。Wang 等人 [24] 考察了环境温度和湿度对医疗防护服微气候的影响，以及相关的皮肤温度反应和主观热感觉。除了以服装为中心的热舒适实验外，研究人员还探索了人类在各种不同环境刺激下的热感知。Gao 等人 [25] 结合主观问卷和脑电图测量，探索了在不同红外辐射条件下年轻和老年受试者之间的热舒适差异。Younes 和 Khovalyg [26] 关注局部热刺激，阐明了刺激强度、局部热感觉和整体热舒适之间的关系。Liu 等人 [27] 进一步比较了在相同报告的热感觉水平下冬季和夏季条件下的生理反应和热舒适特征。这些研究表明，主观评估是捕获各种环境条件下人体热体验的广泛使用且有效的方法。然而，主观热感觉本质上受多种相互作用因素影响，包括生理状态和个体差异，这可能引入不确定性。此外，尽管主观评估为感知热体验提供了有价值的见解，但在揭示控制人体热感知的基本物理和生理机制方面存在局限性。

在本研究中，采用计算流体力学（CFD）研究了人体组织与双层纺织品之间的耦合热传递。纺织品模型由薄外层和较厚的内填充层组成，而人体组织则由皮肤、脂肪和核心层表示。该模型捕捉了非稳态响应（瞬态和持续热感）和稳态绝缘性能。通过与时观评价和 b 的比较验证了模拟方法。此外，进行了系统的参数研究，考察了内外层热导率、内层厚度和密度以及环境温度对整体热性能的影响。研究结果为优化多层热功能纺织品和设计舒适服装提供了理论指导和实际见解。

章节片段
实验
本研究使用了十个在主观瞬态凉感上表现出差异的样品。样品的具体信息见表 1。值得注意的是，样品 1# 由两层组成，外表面和内填充分别由样品 3# 和样品 2# 的材料组成。每个样品的厚度和质量密度是根据标准测试方法测量的 [28], [29], [30], [31]。比热容和热
热流率和体温
散热和体温变化的分析为皮肤与不同纺织品接触时的非稳态和稳态热响应提供了关键见解。最初，由于人体与纺织品之间存在显著温差，产生的热流率随时间增加。随着纺织品吸收热量且温差减小，热流率逐渐下降。当热流率稳定且偏差最小时，
内外层热导率的影响
为了研究热导率对纺织品组件热性能的影响，保持内外层的比热、质量密度和厚度与样品 1# 一致。进行了以下两组模拟。在第一组中，内层的热导率固定在 0.03 W/(m·K)，而外层的热导率从 0.03 变化到 0.24 W/(m·K)。在第二组中，外层的热导率
环境温度对热传递的影响
皮肤与纺织品接触时的初始热感觉在不同环境温度下有所不同。当纺织品存放在较冷环境中时，减少初始的强烈冷感变得越来越重要，以防止不适和潜在的健康问题，如感冒。图 17 显示了皮肤接触单层样品时在不同环境温度下的 Qmax。当环境温度从 293 K (20 °C) 降至 273 K (0 °C) 时，更大的初始温度

结论
本研究提出并验证了一种数值模型，能够描述人体与纺织品在稳态和瞬态热传递条件下的相互作用。引入了两个参数，瞬态和持续热感，为单 - 多层纺织品在非稳态热传递期间的热性能提供了新的视角。结果表明，瞬态感觉主要受...热导率控制

CRediT 作者贡献声明
Lexi Tu：撰写 – 原稿、方法论、调查、形式分析、概念化。Xiaolu Xu：调查、形式分析。Xin Qu：验证、数据管理。Borong Ji：调查、数据管理。Zhonggang Sun：方法论。Guorong Yang：验证。Sai Liu：监督、软件、方法论。Hua Shen：监督、软件、方法论。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢
作者披露了收到以下财务支持用于研究、作者身份和/或本文的出版：作者感谢浙江省自然科学基金（资助号 LQN25E080001）、大学生创新创业训练计划项目（202610338057）、浙江新苗人才计划（资助号 2026R406A007）、浙江省清洁印染技术重点实验室开放项目 (Lexi Tu|Xiaolu Xu|Xin Qu|Borong Ji|Zhonggang Sun|Guorong Yang|Sai Liu|Hua Shen